大學(xué)化學(xué)第一章課件

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第一章化學(xué)反應(yīng)熱1.1幾個(gè)基本概念

1.1.1系統(tǒng)和環(huán)境

1.1.2狀態(tài)與狀態(tài)函數(shù)1.2熱力學(xué)第一定律1.3化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)

1.3.1恒容反應(yīng)熱

1.3.2恒壓反應(yīng)熱

1.3.3熱力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)

1.3.4單質(zhì)和化合物的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓

1.3.5化學(xué)反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變的計(jì)算

1.3.6反應(yīng)進(jìn)度

2§1.1

幾個(gè)基本概念1.系統(tǒng)與環(huán)境

人為地將一部分物質(zhì)與其余物質(zhì)分開(kāi)作為研究的對(duì)象，被劃定的研究對(duì)象稱(chēng)為系統(tǒng)；研究學(xué)生的上課狀態(tài)學(xué)生稱(chēng)為系統(tǒng)；教師、教室、書(shū)桌等稱(chēng)為環(huán)境。

系統(tǒng)之外，與系統(tǒng)密切相關(guān)，影響所能及的部分稱(chēng)為環(huán)境。例如：

3(1)孤立系統(tǒng)

系統(tǒng)和環(huán)境之間沒(méi)有任何物質(zhì)和能量的交換。(2)封閉系統(tǒng)

系統(tǒng)與環(huán)境之間沒(méi)有物質(zhì)交換,只有能量交換,例如，任何化學(xué)反應(yīng)。(3)敞開(kāi)系統(tǒng)

系統(tǒng)和環(huán)境間既有物質(zhì)交換又有能量交換。封閉絕緣封閉不絕緣能量H2SO4+Cu三種系統(tǒng)狀態(tài)函數(shù):

狀態(tài)的單值函數(shù)。狀態(tài)函數(shù)的特點(diǎn)（1）狀態(tài)函數(shù)和狀態(tài)變量是相對(duì)的。（2）狀態(tài)函數(shù)的變化與途徑無(wú)關(guān)，只決定于系統(tǒng)的始態(tài)和終態(tài)。

43.狀態(tài)與狀態(tài)函數(shù)狀態(tài):

系統(tǒng)固有宏觀性質(zhì)的綜合表現(xiàn)（例如壓力、溫度、體積、能量、密度、組成、距離等）。過(guò)程:

狀態(tài)發(fā)生變化的經(jīng)過(guò);途徑:完成過(guò)程的具體步驟。

2.過(guò)程與途徑§1.1

幾個(gè)基本概念5§1.2熱力學(xué)第一定律ΔU=U2-U1=Q+W

將能量守恒定律應(yīng)用于熱力學(xué)就是熱力學(xué)第一定律：(系統(tǒng)內(nèi)能的增量等于系統(tǒng)所吸收的熱加上環(huán)境對(duì)系統(tǒng)所作的功)

表示封閉系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的能量變化規(guī)律。U1為始態(tài)內(nèi)能，U2為終態(tài)內(nèi)能，Q為系統(tǒng)從環(huán)境吸收的熱量，W為環(huán)境對(duì)系統(tǒng)所做的功。6熱力學(xué)第一定律的幾點(diǎn)說(shuō)明(2)熱(Q):

系統(tǒng)和環(huán)境間能量的交換形式,不是狀態(tài)函數(shù)，其數(shù)值與途徑有關(guān)。規(guī)定:吸熱+Q，放熱–Q

(1)內(nèi)能(U)：指系統(tǒng)內(nèi)部分子的平動(dòng)能、轉(zhuǎn)動(dòng)能、振動(dòng)能、分子間勢(shì)能、原子鍵能、電子運(yùn)動(dòng)能、核內(nèi)基本粒子間核能等能量的總和。內(nèi)能是系統(tǒng)自身的性質(zhì)，是狀態(tài)函數(shù)。(3)功(W):

系統(tǒng)和環(huán)境間能量的交換形式,不是狀態(tài)函數(shù)，其數(shù)值與途徑有關(guān)。規(guī)定:系統(tǒng)對(duì)環(huán)境做功-W,

環(huán)境對(duì)系統(tǒng)做功+W;

W=

W體+W有W體:熱力學(xué)系統(tǒng)體積變化時(shí)對(duì)環(huán)境所做的功稱(chēng)為體積功。

P一定，W體＝-PΔV

W有:除體積功以外的功的統(tǒng)稱(chēng)，如電功、表面功等?；瘜W(xué)反應(yīng)如要做有用功，則需特殊裝置。

ΔU=Q+W

7Aboyonherway-W-W+Wsystemsystemsystemenvironment-W8§1.3化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)

ΔU=Q+W(1)QV:等容反應(yīng)熱。其數(shù)值的大小只與始末狀態(tài)有關(guān)，與途徑無(wú)關(guān)。1.3.1等容反應(yīng)熱

ΔU=QV(2)熱在特定的條件下,其數(shù)值的大小與某狀態(tài)函數(shù)的變化相同,且體現(xiàn)狀態(tài)函數(shù)變化的性質(zhì)(只與始末狀態(tài)有關(guān)，與途徑無(wú)關(guān))。

(條件：△T=0,△V=0,W有+W體=0)

=Q+p×△V=Q9§1.3化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)條件：△T=0,Δp=0,W有＝0,Ｗ體＝-pΔV

＝-p(V２-V1),(1)H是狀態(tài)函數(shù)U、p、V的組合，所以H也是狀態(tài)函數(shù)。1.3.2等壓反應(yīng)熱ΔＵ＝Qp+Ｗ體Ｕ２-Ｕ1＝

Qp-p(V２-V1)H≡U+pV

Qp＝(U２+pV2)-(U1+pV1)Qp：恒壓反應(yīng)熱，H：焓。

＝H2-H1＝ΔH

(3)QV和Qp都與途徑無(wú)關(guān)，所以可以通過(guò)易測(cè)的反應(yīng)熱來(lái)求算難測(cè)的反應(yīng)。(2)大部分反應(yīng)是在恒壓下進(jìn)行的，其反應(yīng)熱是Qp

，剛好與焓變數(shù)值相同。因此就用ΔH表示QpQp＝ΔH

10§1.3化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)

始態(tài)C(s)+O2(g)例1.1

ΔT=0、Δp=0，W有＝０的條件下，

碳完全燃燒生成CO2可有兩條途徑，如下圖所示：

終態(tài)CO2(g)1.3.2等壓熱反應(yīng)△rHm,1一個(gè)總反應(yīng)的△rHm等于其所有分步反應(yīng)

△rHm,i的總和。

△rHm＝△rHm,1+

△rHm,2+···

+△rHm,n△rHm,2△rHm,3CO(g)+1/2O2(g)(3)(2)(1)蓋斯定律:1840年△rHm,1＝△rHm,2+

△rHm,3使用蓋斯定律要注意：

1、蓋斯定律只適用于等溫等壓過(guò)程，各步反應(yīng)的溫度應(yīng)相同；

2、熱效應(yīng)與參與反應(yīng)的各物質(zhì)的本性、聚集狀態(tài)、完成反應(yīng)的物質(zhì)數(shù)量，反應(yīng)進(jìn)行的方式、溫度、壓力等因素均有關(guān)，這就要求涉及的各個(gè)反應(yīng)式必須是嚴(yán)格完整的熱化學(xué)反應(yīng)方程式。

3、各步反應(yīng)均不做非體積功。

4、各個(gè)涉及的同一物質(zhì)應(yīng)具有相同的聚集狀態(tài)。5、化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱(△H)只與反應(yīng)體系的始態(tài)或終態(tài)有關(guān),而與反應(yīng)途徑無(wú)關(guān)。蓋斯定律的本質(zhì)：方程式按一定系數(shù)比加和時(shí)其反應(yīng)熱也按該系數(shù)比加和。蓋斯定律的意義：有些反應(yīng)的反應(yīng)熱通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定有困難，可以用蓋斯定律間接計(jì)算出來(lái)。12試求在相同溫度下，反應(yīng)（4）Fe2O3（s）+3CO（g）=2Fe（s）+3CO2（g）

的化學(xué)反應(yīng)熱

(4)？蓋斯定律的練習(xí)例1.2

已知下列反應(yīng)在600℃，100kPa時(shí)的為

（1）3Fe2O3（s）+CO（g）=2Fe3O4（s）+CO2（g）

（2）Fe3O4（s）+CO（g）=3FeO（s）+CO2（g）

(2)=22.57kJ·mol-1(3)=-13.37kJ·mol-1(1)=-6.27kJ·mol-1（3）FeO（s）+CO（g）=Fe（s）+CO2（g）

13§1.3化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)態(tài):在溫度T和壓力pΘ(100kPa)下該物質(zhì)的狀態(tài)。

純理想氣體的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)：該氣體處于標(biāo)準(zhǔn)壓力pΘ下的狀態(tài)。1.3.3熱力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)

純固體和液體：壓力為pΘ的狀態(tài)。（1）由于溫度沒(méi)有給定，因此每一個(gè)溫度都存在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)。

溶液中的溶質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)：濃度為1mol·L-1的狀態(tài)。

混合理想氣體中任一組分的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)：該氣體組分得分壓力為pΘ的狀態(tài)。

（2）本書(shū)所用的數(shù)據(jù)如不加以說(shuō)明，一般都是T＝298K時(shí)的數(shù)據(jù)，此時(shí)溫度就不標(biāo)明了。

14§1.3化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)

標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓（簡(jiǎn)稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)生成焓）：在標(biāo)態(tài)下，由最穩(wěn)定單質(zhì)（這里人為地規(guī)定最穩(wěn)定單質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓為0）生成單位物質(zhì)的量（1mol物質(zhì)）的純物質(zhì)時(shí)反應(yīng)的焓變。以符號(hào)表示，常用單位是kJ·mol-1。

例如：H2(g)+1/2O2(g)=H2O(l)反應(yīng)焓變:

ΔrHmΘ(298.15K)=-285.8kJ·mol-1

1.3.4單質(zhì)和化合物的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓H2O的標(biāo)準(zhǔn)生成焓:

ΔfHmΘ(298.15K)=-285.8kJ·mol-1

*水合離子的標(biāo)準(zhǔn)生成焓:規(guī)定水中H+離子標(biāo)準(zhǔn)生成焓為零,并規(guī)定濃度為1mol·L-1的水合離子為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，據(jù)此,可獲得該水合離子的標(biāo)準(zhǔn)生成焓151.3.5化學(xué)反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)焓變的計(jì)算假設(shè)化學(xué)反應(yīng):AB+CD＝AC+BD(1)

AB+CD＝A+B+C+D＝AC+BD

(2)(3)根據(jù)蓋斯定律,可得:因而,可得:

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)生成焓的概念,可得:

即:

16§1.3化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)1.3.5化學(xué)反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)焓變的計(jì)算任一化學(xué)反應(yīng):

aA+fF＝gG+dD

可得:

式中為相應(yīng)的化學(xué)計(jì)量數(shù)，對(duì)反應(yīng)物取負(fù)值，對(duì)產(chǎn)物取正值。

17§1.3化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)1.3.5化學(xué)反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)焓變的計(jì)算例1.3試計(jì)算反應(yīng)

2Al(s)+Fe2O3(s)＝Al2O3(s)+2Fe(s)的標(biāo)準(zhǔn)焓變。查表可得:

(Fe2O3)=-824.2kJ·mol-1

(Al2O3)=-1675.7kJ·mol-1

18§1.3化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)1.3.5化學(xué)反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)焓變的計(jì)算在計(jì)算化學(xué)反應(yīng)熱時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：(1)必須注明參與反應(yīng)物質(zhì)所處的狀態(tài)：g(氣態(tài))，l(液態(tài))，s固態(tài))，aq(水溶液)。對(duì)于同質(zhì)異晶物質(zhì)還必須注明晶型(如對(duì)于碳來(lái)說(shuō)，是石墨、金剛石還是球碳等)。

(4)化學(xué)反應(yīng)的ΔH一般隨溫度(T)而變化，但變化不大。因此在溫度變化不是很大計(jì)算精度要求不高的情況下，可以不考慮溫度對(duì)ΔH的影響。后面如不加特殊說(shuō)明，都按此處理。為了簡(jiǎn)化書(shū)寫(xiě)，對(duì)于與溫度有關(guān)的熱力學(xué)量(如H及后面要提到的熵S等)，如不標(biāo)明溫度，均指溫度為298K。(2)由于焓(H)與物質(zhì)的量成正比，所以必須依據(jù)配平的化學(xué)方程式來(lái)計(jì)算ΔH。(3)正反應(yīng)的ΔH與逆反應(yīng)的ΔH數(shù)值相等而符號(hào)相反。19對(duì)于化學(xué)反應(yīng)0=,若任一物質(zhì)B的物質(zhì)的量初始狀態(tài)時(shí)為nB0，某一狀態(tài)時(shí)為nB，則反應(yīng)進(jìn)度的定義為

對(duì)于任意一個(gè)化學(xué)反應(yīng)aA+fF

=gG+dD

(a、f、g、d為化學(xué)計(jì)量數(shù)),也可用通式表示:

0=

按此通式，肼(N2H4)的燃燒反應(yīng)：1.3.6反應(yīng)進(jìn)度

0=3N2(g)

+4H2O(g)

-2N2H4(l)

-N2O4(g)

2N2H4(l)

+N2O4(g)=3N2(g)

+4H2O(g)§1.3化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)203.1化學(xué)反應(yīng)速率的表示

1.反應(yīng)進(jìn)度

對(duì)反應(yīng)進(jìn)度的幾點(diǎn)說(shuō)明：

(1)